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早年,伽利略做过这样一个实验:伽利略登上比萨斜塔顶端,将一个重100磅和一个重一磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下,两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。这就是同学们熟悉的“两个铁球同时着地”的物理实验。面对这个无情的实验,在场观看的人个个目瞪口呆,不知所措。但是,细心的人们经过仔细观察发现,两个铁球并不是垂直地落下。而是稍稍偏向东方。这是不是一个偶然现象?后来,有人从矿井口向下抛掷物体,发现抛落物体落地时,都是略微偏东一些。
为什么物体落地时会偏东一些呢?原来,塔顶和塔基在地球自转时形成的圆弧大小不同,塔顶的圆弧比塔基的大些,线速度同样要大些,从塔顶自由下落的物体,按照惯性定律,一定会保持自己原有的速度,因此,物体就要“跑’在塔基的前头,落地点偏东一些。塔越高,或者实验的地方越接近极点,这种偏离现象就越明显。
这个被科学界誉为“比萨斜塔试验”的美谈佳话,用事实证明,轻重不同的物体,从同一高度坠落,加速度一样,它们将同时着地,从而了亚里士多德的错误论断。这就是被伽利略所证明的,现在已为人们所认识的自由落体定律。“比萨斜塔试验”作为自然科学实例,为实践是检验真理的惟一标准提供了一个生动的例证。
提起地球的自转,在科学技术高度发达的今天,它是一个不容置疑的真理,但如果让人们对此作出证明,或许这并不是一个简单的事情。对于人类初次作出的对地球自转的证明来讲,曾发生过下面一个故事。
16世纪时,“太阳中心说”的创始人哥白尼曾依据相对运动原理提出了地球自转的理论。可从他提出这一理论后的相当长一段时间内,这一理论只能停留在让人们从主观上接受的水平,直到19世纪才被法国的一位名叫傅科的物理学家,用他自己设计的一项实验所证实。
地球自西向东绕着它的自转轴自转,同时在围绕太阳公转。观察地球的自转效应并不难。用未经扭曲过的尼龙钓鱼线,悬挂摆锤,在摆锤底部装有指针。摆长从3米至30米皆可。当摆静止时,在它下面的地面上,固定一张白卡片纸,上面画一条参考线。把摆锤沿参考线的方向拉开,然后让它往返摆动。几小时后,摆动平面就偏离了原来画的参考线.这是在摆锤下面的地面随着地球旋转产生的现象。 由于地球的自转,摆动平面的旋转方向,在北半球是顺时针的,在南半球是反时针的。摆的旋转周期,在两极是24小时,在赤道上傅科摆不旋转。在纬度40°的地方,每小时旋转10°弱,即在37小时内旋转一周。 显然摆线越长,摆锤越重,实验效果越好。因为摆线长,摆幅就大。周期也长,即便摆动不多几次(来回摆动一二次)也可以察觉到摆动平面的旋转、摆锤越重,摆动的能量越大,越能维持较长时间的自由摆动。
傅科的这个摆的是一个演示地球自转的实验。这种摆也因此被命名为“傅科摆”。傅科摆为什么能够演示出地球自转呢?
简单的说,因为惯性。摆是一种很有趣的装置。给摆一个恰当的起始作用,它就会一直沿着某一方向,或者说某一平面运动。如果摆的摆角小于5度的话,摆锤甚至可以视为做一维运动的谐振子。
现在,考虑一种简单的情况,假如把傅科摆放置在北极点上,那么会发生什么情况呢?很显然,地球在自转――相对于遥远的恒星自转。同样,由于惯性,傅科摆的摆锤相对于遥远恒星的运动方向(平面)是不变的。(你可以想象,有三颗遥远的恒星确定了一个平面,而傅科摆恰好在这个平面内运动。由于惯性,当地球以及用来吊起摆锤的架子转动的时候,摆锤仍然在那个平面内运动)那么什么情况发生了呢?你站在傅科摆附近的地球表面上,显然会发现摆动的平面正在缓缓的转动,它转动的速度大约是钟表时针转动速度的一半,也就是说,每小时傅科摆都会顺时针转过15度。
摆在同一平面内运动,这里所说的平面是由远方的恒星确定的 如果把傅科摆放置赤道上呢?那样的话,我们将观察不到任何转动。把摆锤的运动看做一维谐振(单摆),由于它的运动方向与地轴平行,而地轴相对遥远的恒星是静止的,所以我们观测不到傅科摆相对地面的转动。
现在把傅科摆移回巴黎。摆锤的运动可以分解为沿地轴方向的和与之垂直方向上的两个分运动。后者会产生相对地面的旋转(正如北极的傅科摆)。这两个分运动合成的结果是,从地面上的人看来,傅科摆以某种角速度缓慢的旋转――介于傅科摆在北极和赤道的角速度之间。(也可以从科里奥利力的角度解释,得出的结论是一样的)如果在北极的观测到傅科摆旋转一周的时间是A(A=24h),那么在任意纬度γ上,傅科摆旋转一周所需的时间是A/sinγ。对于巴黎,这个数字是31.8小时。
证明地球自转的证据还有以下几点:
(1)白天和黑夜 昼夜交替。面对太阳的时候 是白天 转到背面就是黑夜了。
(2)牙签法。先用一只脸盆装满水,放在水平且不易振动的地方,待水静止后,轻轻放下一根木质细。牙签,并在牙签的一端做一个记号,记住牙签的位置,过几个小时后(最好在10个小时以上),再去看时你就会发现,牙签已经转动了一定角度,看起来好像是牙签在转动,其实它并没有转动,而是地球。在转动。在北半球,牙签作顺时针转动,因为地球自转在北半球看起来是逆时针方向的。南半球则与北半球相反。
历史上最有名的证明地球在自转的实验被人们称为傅科摆实验。说起傅科做这个实验,还别有趣味。那么,我们先来看这个实验,然后再自己动手做做。
话说1851年的一天。法国物理学家傅科带着他的两位青年助手来到巴黎的先贤祠。他们三人一进门便东张张,西望望,来在祠的中央止步了。抬头向穹顶望去。他们观看了一阵以后又一同离开这座大建筑物。
祠里的管事觉得这三人的行迹可疑,便立即向祠主管秉报。主管吩咐“要警惕他们,防止他们行窃或破坏”。
第二天,傅科和他的两位助手再次来到先贤祠。不过,这次他们不是空手来,而是携带着一些器物,因而行动起来比较迟缓。管事躲避在暗处,目不转睛地盯住他们的一举一动。只见其中一位助手腰间系着一根长绳,像猴子似的在一根大柱子上登攀。不一会儿这年轻人便爬到穹顶。“莫非他要盗窃穹顶上的雕刻木板?”可是,那年轻人将绳子一端系在屋梁以后。便从原来那根大柱子很快地滑下来。
那管事刚松一口气,站在下面的那位助手却立即行动起来。他将一个金属球悬挂在绳子的末端,随后又在地板上沿南向北方向画出一条白线,继而推动金属球沿着白线来回摆动起来。
管事在旁暗自思忖:他们在干什么,会不会搞定时爆炸,那个黑球说不定就是以摆动次数作为计时的定时炸弹?一想到这里便觉得不能让他们在那里继续胡搞下去了。于是,他一个箭步冲上前去。并大喝一声:“快住手,不许你们在这里搞定时爆炸!”随即又迅速用双手稳住正在缓缓摆动的金属球。
傅科站出来说: “请这位先生让开点,先让我们做完这个实验,再向你解释清楚。”
“做什么实验?”管事疑惑地问道。
“证明地球自转的实验。”傅科回答说。
“你们在愚弄人,人怎么能够看得到地球自己在转动呢?”管事以难于置信的口气发问。
“那就请你耐心看看我们的实验吧!”说完,傅科便叫助手推动金属球沿着白线方向摆动。
开始的时候,金属球沿着白线有节奏地一下一下地摆动着。随后。金属球摆动的方向渐渐地偏离了白线,由东向西旋转着。几小时后,金属球摆动的方向相对于白线形成个很大的角度。
这时。傅科指着出现的金属球舞动方向与白线的夹角对管事说: “这下子可看见了吧!这就是地球自转的证明。”
“这种夹角怎能证明地球自己在转动呢?”管事更加丈二和尚摸不着头脑了。
原来,地球像个巨大的陀螺,一刻不停地自西向东旋转着,每转一圈就是一昼夜。地球是向东转动着,而惯性使金属球始终保持原来的摆动方位,便产生金属球摆动面向西偏转的现象,因而出现与地板上的白线有一个较大的夹角。摆动方向的改变,在南北极只要24小时就能改变360°;到了北京,约需40小时才行;在赤道上,就不会看到摆动的方向有所改变了。
后人为了表彰傅科证明地球自转的实验,便将这种金属球大摆命名为“傅科摆”。我国北京天文馆大厅里也有这种傅科摆。同样日夜向人们揭示着地球白转的秘密。
现在,就让我们自己来做类似于傅科摆的实验吧。
实验一
取直径为50厘米的白色搪瓷面盆一只。为便于观察,用特种铅笔,在面盆边缘沿顺时针向每隔30°作一标记,将其12等分。分别为0°、30°、60°、90°、…、180°、…、270°、…、360°,如上图。为防止外界振动和干扰,将盛满清水的面盆置于底搂的水泥地面。取一张吹塑纸。用刀片剪裁成宽0.1~0.2厘米、长8厘米的纸条(当然也可用笛膜或细竹丝代替)。将吹塑纸条浮于面盆水面,两端平稳地指向0°和180°。为防止风吹和外界影响,可在面盆上盖一薄板。经过3~4小时,轻轻打开薄板,你会惊奇地发现,吹塑纸条沿顺时针方向“转过”一个角度。由于面盆随着地表作逆时针方向转动,而浮于水面的吹塑纸条并没有转动,其指示的转动角度,恰恰验证了地球的自转。
实验二
中图分类号:G633.8
文献标识码:B
类比(analogy)又称作类比推理(analogical rea-soning)或类比迁移(analogical transfer),是一种常用的逻辑思维方式。类比是将熟悉的事物(称作类比源对象)和较不熟悉的事物(称作目标对象)的某些关系进行比较,并且明确这些关系是否具有一定的相似性。常见的类比模式可以表示如下:
类比通过联系学习者的已有知识,有效降低学习内容的难度,有助于学习者产生适当的学习迁移、形成概念和解决问题,是学习科学概念和原理的重要手段之一。利用“地球自转”类比“电子自旋”是高中化学《物质结构与性质》模块中常用的实物类比,但是该类比存在科学性错误,值得广大教师注意。
电子不存在确定的运动轨道,只能概率密度分布出现。核外电子除了分布在一定能层、能级上和形成一定取向的电子云,还具有自旋运动。人教版教科书编写者认为,电子自旋可以比喻成地球自转。自旋只有顺时针和逆时针这两种方向。这种观点是把地球类比电子,地球自转类比电子自旋。
然而,最重要的问题是,电子的确是围绕本身轴线转动,具有两种不同的自旋方向吗?答案无疑是否定的。如果把电子想象成电荷均匀分布的小球,通过计算可知电子的转动线速度大于光速,而这是绝对不可能发生的!量子力学研究指出,电子自旋是电子的固有(或者说是内禀)属性,与电子的空间运动无关,是一种新的自由度。电子自旋不能用坐标、动量和时间等变量表示,完全是一种量子效应,没有经典的对应量;作为角动量,满足角动量算符最一般的对应关系,在空间中任何方向投影只能取±1/2这两个值。这说明,电子自旋只是表示电子的两种不同的运动状态,我们不能使用经典物理学中相对应的量,如描述宏观状态的旋转、自转等词语来理解电子自旋;如果把电子自旋理解为电子围绕本身轴线转动,这种沿用经典图像的理解方式只是有利于建立数学模型和进行测量,实际上电子的运动状态却并非如此。
根据物理学史的研究,
我们能够大致了解“电子自旋”一词的来历:1924年,泡利提出4个量子数的思想,而且发现其中1个磁量子数只能取±1/2这两个值,但是坚信它根本无法在经典理论中得到解释。1925年,乌伦贝克与高斯密特为了解释反常塞曼效应,假设电子具有自旋运动,仿效得到自旋角动量、自旋量子数和自旋磁矩的计算式。假设提出之初,洛仑兹就指出“电子的转动线速度将大于光速”这一要害问题;泡利对“电子自旋”的观点更是一直持有异议,认为要清除经典力学的影响。但是在1926年3月,海森伯和约当将电子自旋概念应用于矩阵力学,圆满地解释了反常塞曼效应;同年4月,托马斯解决了因子2的计算问题。经过与波尔的激烈争论,泡利逐渐信服电子自旋概念。1927年,泡利把电子自旋概念纳入到矩阵力学体系。1928年,狄拉克建立了量子力学的相对论性波动方程,从理论中说明电子自旋的必然存在,“自旋”和“自旋量子数”等词语作为习惯名称沿用下来。1940年,泡利证明电子自旋是出于量子场论的需要,电子自旋成为量子力学中不可或缺的重要概念。由此可知,电子自旋概念经历了一个从否定到重新认识、解释的过程,其内涵与字面意义完全无关。
地转偏向力使许多地理现象都受到影响,特别是影响到河流流向、洋流流向、风向,从而调节着全球各地的水热分布状况,乃至影响到地貌形态等各种地理事物的分布等等。同时也影响着人类的生产、生活,以下重点举例说明地转偏向力对生产、生活的影响:(以北半球为例)
一、水涡是怎样形成的?
山区的核子特别是男孩,在雨水天,常到村子附近的小沟里堵水玩,堵好一塘水后,老是喜欢用一根棍子往水塘的底部戳一个小洞,总是发现水不是直接往下流淌,而是旋转式的往下流,放点鲜花或绿叶在水里会更精彩更好玩 。这水为什么不直接向下流淌,而是旋转式的,又是如何旋转向下流的? 其实,当我们打开水龙头向桶中放水时,当水库放水时(放水口在水下),当水槽放水时,都会看到在水面形成旋涡,这些旋涡是怎样形成的?请看下图:
图中虚线是表层水的原始流向,实线是水的实际流动方向。当向桶中注水时,水从注水点向四周流动,北半球在地转偏向力的作用下右偏,旋涡呈顺时针方向旋转。南半球则呈逆时针方向旋转。放水时表层水都流向下层出水口,北半球在地转偏向力的作用下右偏,旋涡呈逆时针方向旋转。南半球则呈顺时针方向旋转。
二、车辆和行人为何总是靠右行?
不是北半球所有的国家或地区的车辆和行人都靠右行,但靠右行是最为合理的。如下图:
北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏,甲图靠左行驶,都偏向道路中间,在地转偏向力的影响下,使两车距离逐渐靠近,更容易与对面驶来的车辆相撞,意外翻车更容易倒向路中间,引发车祸的频率会更高。乙图为靠右行驶,都偏向路边,在地转偏向力的影响下,使两车距离渐远,意外翻车也容易倒向路边,车辆行驶也会更安全些。
车辆靠右行,行人也靠右行,车辆和行人同向,这样会更方便更安全些。天长日久,习惯成自然,人们无论在哪里行走都习惯右行了。
三、为什么左右鞋磨损程度不同 ?
请看发生在我们身边的真实的故事:我们在小学,初中时遇到这样的情况,当时在农村大多家庭都很穷,要么打赤脚上学、干活,要么能穿上胶鞋就不错。穿坏的胶鞋舍不得丢,往往随手仍在墙角里。没有鞋穿时又去找来穿穿,可总是发现左鞋鞋底没破洞或破洞很小,而右鞋鞋底破洞很大,其它部位比左鞋也破烂得多。要配对一双可以穿的总是太难了。其他人也发现这种现象,当时不明白是什么原因。现在作如下解释,如下图:
这是由于两只鞋的受力差异而形成的。在北半球,左脚重力作用于左侧,地转偏向力作用于右侧,受力相对均匀,单位面积受力小,磨损少些;右脚,重力和地转偏向力都作用于右侧,受力不均匀,单位面积受力大,磨损多些。上述现象原因就在于此。这种现象年轻人已经难以看到,因为一双鞋穿的时间太短,表现不是很明显,40岁以上的中老年人对这种现象就会记忆犹新。
但如果鞋子穿的时间较长,只要注意观察,还是看得出北半球穿的右鞋比左鞋磨损要多些,而南半球穿的左鞋比右鞋磨损也要多些。
四、跑道上为何逆时针方向跑步?
北半球,在跑道上跑步,人们总喜欢沿逆时针方向,如下图:
从图上可以看出,甲人是顺时针方向跑,地转偏向力和身体倾斜产生的向心力方向相同,不易平衡,过弯道处易跌倒。乙人是逆时针方向跑,从图上可以看出,乙人是逆时针方向跑,地转偏向力向和身体倾斜产生的向心力方向相反,易于平衡,过弯道处不易跌倒。若是在南半球,自然是顺时针方向跑步最为合理。
五、工程如何选址
在北半球,正因为地球自转偏向力对河流的影响 ,使得自然河道右岸冲刷厉害,左岸堆积严重,结果造成河床“摆动”,形成河湾,也造成了河谷的不对称性, 对找矿、修建港口、码头、设置航道、城市建设也有明显的影响,故港口、防洪堤坝一般建在右岸,聚落、采沙场建在左岸。如图所示:
比如长江沿岸的港口都建在南岸,因为河水受到地球自转偏向力影响以后,南岸冲刷严重,使南岸坡陡水深,船只不易搁浅,容易形成良港。特别是长江口,水道被河口沙坝分为南、北两支,在地自转偏向力的作用下,河道右偏,南岸侵蚀严重,需要人为加固,而北支水道不断淤塞使长江北岸三角洲、沼泽地及边滩将连成一体。
六、航空、航海、发射导弹也避免不了地转偏向力的影响
每一个日子
翻阅过去
是一页文字
是一段历史
是一段等待着的回忆
每一个日子
总有些心愿
在风尘里漂浮
夕阳落下夜幕时
希望带着轻松的心情入梦
/
《笑与哭》
笑比春花还美
但有的笑是勉强的
是自己用鞭子赶出的
带泪的笑
是一枝冬梅
哭
淹不了大地
也要将心浸透
不哭的时候